Kesan Raman: Cahaya yang Membaca Getaran Molekul

Apabila cahaya mengenai bahan, kebanyakan foton yang diserakkan mempunyai tenaga hampir sama seperti sebelum interaksi. Itu ialah penyerakan anjal. Sebahagian kecil foton pula bertukar tenaga dengan gerakan dalaman molekul atau pepejal. Foton yang keluar kemudian mempunyai frekuensi sedikit berbeza, dan perbezaan ini menghasilkan kesan Raman.

Anjakan frekuensi memberikan petunjuk tentang ciri getaran molekul dalam bahan

Perbezaan antara frekuensi cahaya masuk dan cahaya Raman berkait dengan tenaga mod getaran atau gerakan lain dalam sampel. Oleh sebab struktur kimia dan ikatan menentukan mod yang dibenarkan, corak anjakan Raman boleh bertindak seperti cap spektrum untuk membantu mengenal pasti bahan dan keadaan molekul. Anjakan Raman lazimnya dinyatakan dalam bilangan gelombang (cm⁻¹), iaitu 1/λ laser − 1/λ serakan, supaya nilainya tidak bergantung pada panjang gelombang laser yang digunakan.

Penyerakan Stokes dan anti-Stokes menukar tenaga dalam arah berbeza

Dalam penyerakan Stokes, foton menyerahkan sebahagian tenaga kepada bahan lalu keluar dengan tenaga lebih rendah. Dalam penyerakan anti-Stokes, bahan menyerahkan tenaga kepada foton lalu foton keluar dengan tenaga lebih tinggi. Pada banyak keadaan biasa, isyarat Stokes lebih kuat kerana lebih banyak molekul bermula pada aras getaran rendah berbanding aras teruja, walaupun kekuatan sebenar turut dipengaruhi oleh bahan dan keadaan eksperimen.

Contoh: laser 532 nm mempunyai bilangan gelombang 1/(532 × 10⁻⁷ cm) ≈ 18 797 cm⁻¹. Jika satu mod getaran mempunyai anjakan Raman 1000 cm⁻¹, foton Stokes mempunyai bilangan gelombang 18 797 − 1000 = 17 797 cm⁻¹, iaitu panjang gelombang kira-kira 562 nm. Foton anti-Stokes pula mempunyai 18 797 + 1000 = 19 797 cm⁻¹, iaitu kira-kira 505 nm. Perbezaan tenaga itu dipindahkan kepada mod getaran molekul (Stokes) atau diambil daripadanya (anti-Stokes), jadi jumlah tenaga sistem tetap terpelihara.

Tidak semua getaran menghasilkan isyarat Raman

Sesuatu mod getaran perlu mengubah kebolehkutuban molekul untuk menjadi aktif Raman dalam pendekatan biasa. Oleh itu, spektrum Raman tidak semestinya memaparkan setiap getaran yang wujud. Kaedah spektroskopi lain seperti inframerah mempunyai peraturan pemilihan yang berbeza, maka kedua-duanya sering memberikan maklumat yang saling melengkapi.

Spektrum diukur dengan memisahkan cahaya mengikut frekuensi

Instrumen Raman lazimnya menyinari sampel dengan laser, mengumpul cahaya yang diserakkan dan menapis komponen anjal yang jauh lebih kuat. Spektrometer kemudian mengukur intensiti pada anjakan frekuensi yang berbeza. Kedudukan puncak, bentuk puncak dan intensitinya boleh membawa maklumat tentang komposisi, ikatan, struktur, tegasan atau suhu, bergantung pada sampel dan kaedah analisis.

Sejarah ringkas

C. V. Raman dan K. S. Krishnan melaporkan penyerakan cahaya dengan perubahan frekuensi pada 1928, dan Raman menerima Hadiah Nobel Fizik 1930. Grigory Landsberg dan Leonid Mandelstam memerhatikan kesan yang sama dalam hablur pada tahun yang sama secara bebas.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?